基于突變理論的中國東部沿海地區生態安全評價研究
——以大連市為例

葛仁東,于成學,蒼露露

(大連民族學院a.理學院;b.國際商學院，遼寧大連 116605)

基于突變理論的中國東部沿海地區生態安全評價研究
——以大連市為例

葛仁東a,于成學b,蒼露露a

(大連民族學院a.理學院;b.國際商學院，遼寧大連 116605)

沿海地區生態環境惡化與不合理的區域開發有關。以驅動力-壓力-狀態-影響-響應(D-P -S-I-R)為框架，構建指標體系;基于突變理論，應用方法處理數據，選擇生態環境問題較突出的大連市為例，識別其自2005年至2012年的生態安全綜合指數值，為大連及其他沿海地區的經濟與環境保護協調發展，實現生態安全提供借鑒和參考。

D-P-S-I-R框架;指標體系;突變理論;生態安全;大連

參照前期研究成果，本文基于突變理論，考慮驅動力和影響兩個重要因素，應用驅動力-壓力-狀態-影響-響應(D-P-S-I-R)模型，以構建指標體系，選擇沿海生態環境問題較突出的大連地區為例，研究大連地區自2008年至2012年的生態變化狀況，期望為大連及國內其他沿海地區生態安全管理提供科學依據與參考。

一、研究設計

1.突變理論基礎模型

突變理論的誕生是以法國數學家勒內·托姆勒內·托姆(Renethom)1972年出版的《結構穩定性和形態發生學》一書作為標志。托姆將系統內部狀態的整體性“突躍”稱為突變，其特點是過程連續而結果不連續，是根據一個系統的勢函數把它的臨界點分類，研究各臨界點附近非連續變化之特征，進而歸納出若干個初等突變模型多目標決策所涉及的四種初等突變模型。尖點突變模型勢函數的一般表達式為:f(x)=x4+ux2+vx，就尖點突變模型的勢函數其狀態空間為三維的(x，u，v)，它的平衡曲面M和奇點集S分別為:f’(x)= 4x3+2ux+v=0，f’(x)=12x2+2u=0，聯合求解，得到分歧方程為:8u3+27v2=0;平衡曲面M上的一個尖點褶皺的兩條折痕OF和OG為奇點集S，它在控制空間u，v上的投影OF’和OG’就是分歧集，如圖1和圖2;在平衡曲面上的每一點(x，u，v)都表示系統在綜合作用下的某一狀態。由折痕OF和OG可以把M分為上葉、中葉和下葉，當控制變量u，v符合分歧方程關系時，系統的質態發生根本性突變，勢函數的值將越過中葉在上葉和下葉之間突跳，如圖1，圖2。

圖1 尖點突變的平衡曲面

圖2 尖點突變的分歧集

其他一維狀態變量的突變模型表達式見表1。

表1 一維狀態變量的突變模型勢函數和歸一公式

突變理論用于系統綜合評價時的主要步驟參見文獻[17-18]。

2.DPSIR模型與指標體系構建

由于城市社會、經濟與環境系統的復雜性和多樣性，不可能統一規定所有的指標。因此，本文在借鑒已有研究成果的基礎上，將驅動力和影響兩個重要變量應用到P-S-R模型中，從各子系統中選擇有代表性、易量化的指標做定性與定量相結合的分析。針對中國東部沿海地區的人口社會資源和環境態勢，根據城市現有經濟、技術開發條件下城市規劃發展對自然生態環境和生活質量可能產生的影響，建立驅動力-壓力-狀態-影響-響應(D-P-S-I-R)評價模型，并以此為基礎，設計19個指標，5個因素層，構建沿海生態安全評價指標體系，見表2。

表2 沿海地區生態安全評價指標體系

二、實例分析

本研究以大連地區為例，分別查閱了2005年到2012年的《大連市統計年鑒》，搜集整理了社會經濟、農業、工業、能源、環保、海洋等方面的數據，根據所建立的指標體系框架，運用無量綱化方法處理數據、應用突變理論進行分析計算，從而得到大連市生態安全評價指數，以實現對大連地區生態安全進行綜合評價。

1.數據的無量綱化處理

在歸一公式中，控制變量a、b、c、d表征的是狀態變量x的不同特征，其原始數據取值范圍和度量單位各不相同。在使用歸一公式之前，應依據突變理論綜合評判的要求，將突變理論與模糊數學相結合，利用公式將控制變量的原始數據轉化到0～1范圍內的無量綱可比較數，即

xij為底層指標的賦值，為規范化處理之后的指標值;i，j表示第i個項目、第j個指標。式(1)適用于值越大，綜合評價值越高的指標，即正向指標，如人均GDP;式(2)適用于值越大，綜合評價值越低的指標，即逆向指標，如工業廢水排放量。指標層的無量化數值見表3。

表3 指標層無量綱化數值表

2.熵值法確定權重

熵值反映了信息無序化程度，其值越小，系統無序度越小，所以采用信息熵評價所獲系統信息的有序度及其效用。由評價指標值構成的判斷矩陣來確定指標權重，它能盡量消除各指標權重計算的人為干擾，使評價結果更接近實際，其計算步驟如下:

根據熵理論，定義m個評價事物n個評價指標的熵值，其中m為規劃年限，m值為2005～2012年，m為8，n為生態安全評價指標個數，n為19，可以由下面公式確定評價指標的熵

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m

式中:ei為第i項指標的信息熵值;fij為標準化值;bij為運用上式(1)或式(2)指標無量綱化值.利用熵值法估算各指標的權重，其本質是利用該指標信息的價值系數來計算，其價值系數越高，對評價的重要性就越大.最后可以得到第i項指標的權重:

依據上述方法依次求出各指標值的權重大小，見表4。

表4 指標層所占權重

由指標層所占權重數據向上疊加得到因素層的權重表，見表5。

表5 B1-B5的權重系數表

3.數據的歸一化處理

根據突變理論歸一化公式，按C1～C19的權重，計算各年份屬于不同因素層的各指標的歸一值，作者認為指標C1～C4，C5～C8，C9～C12互不相關，而指標C13～C16，C17～C19，B1～B5相互關聯，根據突變級數法的準則，對非互補的指標采用“大中取小”進行遞歸處理，對互補的指標，則采用各控制變量的歸一值平均數進行遞歸處理;考慮到因素層的相互關系，按取平均數的原則求得大連市2005～2012年生態安全突變級數綜合評價指數，見表6，依據生態安全等級劃分標準，見表7，判別大連市自2005年至2012年的生態安全狀況。

表6 因素層突變級數生態安全綜合評價指數表

從上表可知，大連市2005年到2012年生態安全等級為:

表8 大連市生態安全等級劃分

從表8中可以看出，2005年大連市的生態環境最不安全，2008年和2010、2010年至2011年較安全，2006年、2007年、2009年和2012年處于臨界安全狀態。

三、結 論

東部沿海生態安全狀況一直是政府關注的重點，也是學術界研究的重點和難點。本研究以東部沿海生態環境問題較為嚴重的大連地區為例，在D-P-S-I-R框架模型的基礎上，構建了沿海生態安全評價指標體系;應用突變理論，分析大連地區2008年至2012年的生態安全狀況。從大連生態安全綜合評價指數上看，生態安全指數從2005年到2012年生態安全總體呈波動上升趨勢，在2010年出現一個峰值，然后趨于平緩，也代表了大連市政府對生態安全越來越重視，這與2008年大連市下發的《大連市生態環境保護“十一五”規劃》文件和2009年大連市編制完成《大連生態市建設規劃》息息相關。相較于2005年到2012年的其它年份生態安全指數，2005年、2007年、2009年以及2012年生態安全指數較低，這與2005年和2007年的系統驅動力和壓力、2009年的系統狀態、2012年的系統壓力和狀態指數過低有很大關系。總體來說該模型對于評價大連地區及中國東部沿海生態安全狀況有一定的參考價值，具有一定的普遍性。

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(責任編輯 董邦國)

Evaluation of Ecological Security for East Coastal Areas Based on Catastrophe Theory——A case study of Dalian city

GE Ren-donga，YU Cheng-xueb，CANG Lu-lua
(a.College of Science;b.International Business School，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

Environmental degradation can not be separated from the sustainable regional development in coastal areas.This paper，firstly，tries to setup an indicator system for ecological security assessment using DPSIR framework;secondly，itutilizes dimensionless to process data，taking Dalian city which is besetwith serious environmental problems as an example for the analysis of its ecological security status based on catastrophe theory.The result reveals that themost dangerous year is 2005，the relatively safe years are 2008，2010 and 2011，while the critical years are 2007，2009 and 2012 respectively.Lastly，it provides references for Dalian city and other coastal areas to realize the coordinated development of economy and environment and ecological securitymanagement.

D-P-S-I-R framework;indicator system;catastrophe theory;ecological security;Dalian

X826

A

1009-315X(2014)06-0593-05

自改革開放以來，中國東部沿海地區的經濟發展突飛猛進。與此同時，也給沿海地區的生態環境帶來一定的生態安全隱患。2013年中國環境狀況公報再次顯示東部沿海地區的生態環境問題依然嚴重[1]。因此，東部沿海地區生態安全狀況如何，是科研的一項艱巨任務。近年來，國內外有關生態安全研究取得了很大進展。生態安全，最早由國際應用系統研究所提出[2]，有廣義和狹義之分，廣義的生態安全包括自然、社會和經濟組成的復合生態系統，而狹義的生態安全是指自然、半自然生態系統的安全。目前學者多研究廣義生態安全為主;在評價指標體系和評價標準上，以某框架模型為基礎構建指標體系的方式較多，所采用的框架模型主要應用P-S-R模型[3-6]較多，此模型僅將人類活動作為壓力，沒有考慮自然因素;有的學者修正了P-S-R模型，將驅動力作為一個重要因素，形成D-P-S-I-R模型，進而構建指標體系[7]。針對不同的研究對象，指標量化方法和生態安全評價標準各異[8-11];在評價方法上，國內外學者多以定量分析為主[8，12-16]，具體因研究對象不同，評價方法有差別。

2014-06-16;

2014-09-25

國家自然科學基金資助項目(71373035);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(0913130475);遼寧省社會科學規劃基金資助項目(L12BJY016)。

葛仁東(1958-)，男，遼寧沈陽人，博士，教授，主要從事應用數學研究。

于成學(1970-)，男，遼寧大連人，博士，教授，主要從事生態安全研究。